全面解析液晶顯示器的抗拖影技術(shù)

1、全面解析液晶顯示器的抗拖影技術(shù)隨著BenQ第二代疾彩引擎（AMAZ）的發(fā)布，“插黑”等液晶顯示抗拖影技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注（前期報道請參考本刊7月上的技術(shù)廣角：專家講堂欄目）。在顯示高速運動物體的動態(tài)圖像時，運動物體的拖影或殘影現(xiàn)象所造成的運動模糊MotionBlur）,-直是液晶顯示技術(shù)中一個比較突出的問題。與傳統(tǒng)的陰極射線管（CRT）顯示技術(shù)相比，液晶顯示器（LCD）在顯示基本沒有變化的靜態(tài)圖像時，其所具有的無閃爍等優(yōu)點是顯而易見的，但在顯示高速變化的動態(tài)圖像時則會出現(xiàn)比較嚴重的拖影問題。這使得液晶顯示技術(shù)在數(shù)字電視、視頻播放及游戲等方面的應(yīng)用受到了很大的局限，而如何利用各種抗運動拖影技

2、術(shù)消除拖影現(xiàn)象，獲得更為完美、流暢的動態(tài)圖像顯示效果，成為新一代液晶顯示技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。事實上，人們對于液晶顯示抗拖影技術(shù)的研究已經(jīng)持續(xù)了相當長的一段時間。過去人們曾寄希望于通過提高響應(yīng)速度來消除或減少運動拖影現(xiàn)象，于是各種提高響應(yīng)速度的技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來?，F(xiàn)在液晶顯示器的響應(yīng)速度已經(jīng)有了明顯的改善，但人們發(fā)現(xiàn)單純依靠這種方法雖然能夠降低拖影的嚴重程度，卻不能直接改善運動圖像的顯示質(zhì)量，而且并不能徹底消除液晶顯示器/電視機在顯示動態(tài)圖像時的拖影。實驗表明液晶顯示器的運動拖影既有顯示器本身固有顯示機制的因素，又和人眼的視覺特性有著莫大的關(guān)聯(lián)。換句話說，液晶顯示器的運動拖影問題實際上

3、是由液晶顯示器的顯示特性與人眼的視覺特性聯(lián)合作用所產(chǎn)生的一種結(jié)果?？梢韵胂?，當你在聚精會神地欣賞體育類節(jié)目時，如果屏幕出現(xiàn)拖影會是何等掃興的一件事。Ft間tQ閒I干閹目nt世啊竜一時間我們的視覺系統(tǒng)具有十分復(fù)雜的感知特性，而視覺惰性就是其中非常重要的特性之一。也就是說，視覺系統(tǒng)所感知的主觀亮度總是滯后于作用到人眼的光信號。如圖2所示，當外部光信號作用于人眼時，視覺系統(tǒng)并不能立即產(chǎn)生相應(yīng)的亮度感覺，而是需要經(jīng)歷一個逐漸由小到大、最終達到穩(wěn)定的亮度感覺過程。人眼的結(jié)構(gòu)與視覺惰性曲線同樣，當作用到人眼的光信號消失后，視覺系統(tǒng)原有的主觀亮度感覺也不會立即消失，而是有一個逐漸衰減、直至最后消失的延遲過程

4、（圖2中的t1t2），這種現(xiàn)象就叫做視覺暫留特性（有時也叫做視覺殘留特性），人類視覺系統(tǒng)的平均視覺暫留時間大約在0.1秒左右，而且會因刺激光線的顏色不同持續(xù)時間略有差異。當人眼受到亮度周期性變化的光脈沖信號作用時，若信號變化的頻率較低（光信號作用的間歇時間大于人眼的視覺暫留時間）就會使人會產(chǎn)生閃爍感；反之，頻率足夠高的光脈沖信號，作用間歇時間小于人眼的視覺暫留時間，人眼就會認為看到的是連續(xù)的、無閃爍的信號。不會使人眼產(chǎn)生閃爍感的最低頻率就稱為臨界閃爍頻率，現(xiàn)在業(yè)界認為臨界閃爍頻率一般在0Hz左右；但實際應(yīng)用中要遠遠高于這個數(shù)值，如電影格式為24幀/s（換算成頻率就是24Hz）,我國使用的PAL

5、制式電視廣播25幀/s,國外的NTSC制式多為30幀/s,LCD顯示器的幀率60Hz,而CRT高達85Hz。理論上講，只要動態(tài)圖像顯示的頻率（幀率）高于這個數(shù)值（20幀/s）,人眼感覺到的就應(yīng)該是連續(xù)的、穩(wěn)定的圖像，但為什么我們?nèi)匀粫谝壕э@示器上看到明顯的拖影呢？這是因為“拖影”很大程度上還取決于人的主觀感覺,只有讓各種顯示設(shè)備盡可能地符合我們的視覺特性，才能最終獲得自然、舒暢的視覺效果。液晶顯示技術(shù)與CRT顯示技術(shù)在發(fā)光和顯示機制方面有著明顯的區(qū)別。CRT顯示的原理是通過加熱顯像管的陰極來發(fā)射電子束，經(jīng)過加速電場和偏轉(zhuǎn)磁場后撞擊熒光屏的一個熒光像素點，使其被激發(fā)而釋放出光子。CRT的掃描電

6、路就這樣控制電子束在熒光屏上不斷地高速掃描，只要掃描速度足夠快，就可以利用人眼的視覺暫留特性呈現(xiàn)出完整的圖像。熒光體45IT.熒光屏電子槍玻璃殼CRT顯示器的結(jié)構(gòu)熒光屏上的每個像素點都只在被電子束撞擊的瞬間發(fā)光，撞擊結(jié)束后其發(fā)光強度會迅速衰減，這就是CRT顯示所具有的脈沖型(ImpulseType)驅(qū)動和光輸出機制(參見后文中的圖5)。這種脈沖型驅(qū)動和光輸出機制所帶來的不利影響是容易導(dǎo)致視覺上的閃爍感，為了減小閃爍就只有盡可能地提高掃描頻率，例如現(xiàn)在DRT顯示器公認的無閃爍頻率是85Hz,遠遠高于20Hz的臨界頻率。但是在顯示含有運動場景的動態(tài)圖像時，這種脈沖型驅(qū)動和光輸出機制則具有明顯的優(yōu)點

7、，它能非常及時地響應(yīng)驅(qū)動信號，實現(xiàn)實時、快速的圖像顯示刷新，從而獲得令人滿意的動態(tài)圖像顯示效果。絆斷_*與CRT顯示相比，液晶顯示則是通過像素矩陣進行光輸出切換來顯示圖像的，不同于CRT那種掃描成像的方式，液晶顯示不會產(chǎn)生閃爍感；其次，液晶顯示器的像素點不具備主動發(fā)光的能力，需要由背光系統(tǒng)提供高效、均勻的光源透射實現(xiàn)光輸出。LCD顯示器的顯示原理在外加驅(qū)動電壓的作用下，液晶分子會發(fā)生扭轉(zhuǎn)而變成有序排列一此時光線可以順利通過，停止加電后液晶分子重新復(fù)原為其固有的無序排列狀態(tài)一這樣又能阻止光線通過。在實際應(yīng)用中，液晶顯示面板包含有兩個偏振方向互相垂直的偏振濾光片，液晶材料就夾在這兩個偏振濾光片之間

8、，與這兩個偏振濾光片一起控制光輸出的通路。由于液晶分子扭轉(zhuǎn)、復(fù)原過程都需要一定的時間，當控制電路收到變成最亮”的驅(qū)動信號后，并不能立刻產(chǎn)生相應(yīng)的高亮度(白)，而是需要經(jīng)過一個逐漸提升直至穩(wěn)定亮度的過程，這一過程所需的時間Tr稱為上升時間(RisingTime);同樣，當控制電路收到“變成最暗”的命令后，也不會立刻轉(zhuǎn)變成低亮度(黑)，這也需要經(jīng)過一個逐漸下降直至無亮度的過程，所需的時間Tf稱為下降時間(FallingTime)。上升時間與下降時間之和稱為黑白響應(yīng)時間(ResponseTime),用來表示液晶面板對于驅(qū)動信號的響應(yīng)速度；另外，現(xiàn)在還有一種表示響應(yīng)速度的方式一灰階響應(yīng)時間(GreyT

9、oGrey,GTG)，它表示的是從任一灰階(度)變換到目標灰階所需要的時間，如果液晶面板使用了過驅(qū)動技術(shù)(OverDrive),通常就會使用灰階來表示它的響應(yīng)速度。45CRT顯示器與LCD顯示器光輸出特性的對比從上面的過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)液晶顯示技術(shù)的成像原理依賴于液晶分子在驅(qū)動信號作用下的扭轉(zhuǎn)、復(fù)原過程，而這兩個過程都需要較長的響應(yīng)時間，從而導(dǎo)致像素的亮度改變總是明顯滯后于驅(qū)動信號的變化；另一方面，液晶顯示器的驅(qū)動方式也使得屏幕在較長時間內(nèi)維持一幀畫面的顯示狀態(tài)，直到加載了下一幀畫面時屏幕上的內(nèi)容才稍有變化，這種長時間不改變的情況，加重了人眼視覺暫留的效果。液晶顯示器這種HoldType（保

10、持型）”的驅(qū)動和光輸出模式，正是導(dǎo)致嚴重拖影的原因。液晶顯示技術(shù)特有的延遲和保持特性，導(dǎo)致了光輸出（顯示畫面）在一定時間內(nèi)持續(xù)作用于具有暫留特性的視覺系統(tǒng)，加之人在觀看運動圖像時眼睛會不由自主地跟隨畫面中的運動目標，從而明顯延長了主觀畫面在腦海中存在的時間。也就是說，當原來的一幀畫面尚在視覺系統(tǒng)中“揮之不去”時，后面的各幀畫面就“接踵而至”，最終這些主觀畫面相互疊加，就會使人感覺到嚴重的拖影現(xiàn)象。第H幀*:顯示/輻特性45血0滬第時】幀A1#p#-Waiimii拖影現(xiàn)象的成因：圖中帶箭頭的虛線表示運動物體的軌跡A點為第N幀畫面時運動物體所在的位置，B點為第N+1幀畫面時物體所在的位置；由于視覺

11、暫留特性，兩幀同時存在于觀看者視覺系統(tǒng)中的主觀畫面相疊加，就形成了帶有拖影的主觀圖像由此看來，導(dǎo)致拖影現(xiàn)象的主要因素有以下三個方面：液晶顯示器的響應(yīng)速度、顯示器的保持特性及人類視覺的暫留特性。因此，解決拖影問題的辦法也要從這三個方面下手。例如使用過驅(qū)動技術(shù)降低液晶顯示器的響應(yīng)時間，使用脈沖驅(qū)動方式或者提高視頻圖像的幀頻來改變顯示器的保持特性，最后就是使用特殊的視頻信號處理技術(shù)來適應(yīng)人的視覺暫留特性。相關(guān)的實驗和研究表明：在響應(yīng)速度較慢時，拖影的嚴重程度主要取決于液晶驅(qū)動電路的響應(yīng)速度；而當液晶顯示器的響應(yīng)速度提升到較高的水平后，所出現(xiàn)的拖影則主要取決于液晶顯示器的保持特性。從這個意義上說，降低

12、響應(yīng)時間的方法雖然能夠在一定程度上減輕拖影現(xiàn)象，但并不能完全消除拖影，其效果不夠理想的根本原因是受到液晶顯示器固有的保持型電光轉(zhuǎn)換機制的限制。在響應(yīng)時間上，CRT顯示器具有壓倒性的優(yōu)勢實際上，即使是目前響應(yīng)時間最短的液晶顯示設(shè)備，其響應(yīng)時間也只能降低到毫秒(1ms=10-3s)的數(shù)量級，而CRT顯示器的響應(yīng)時間一般只有微秒(gs=10-6s)數(shù)量級，二者相差實在太大。顯然，單純依靠提高響應(yīng)速度的方法，很難使液晶顯示器的拖影現(xiàn)象降低到CRT顯示器的那個水平。一味地走響應(yīng)時間這條路最后通向了一個“死胡同”。既然在響應(yīng)時間上行不通，那有沒有別的方法來解決拖影問題呢？人們首先想到了CRT顯示器的脈沖式

13、顯示模式，能不能把它借鑒到液晶顯示器上面？蠱有國像幀圖像拔之間插人竝全黑幀插黑技術(shù)的實現(xiàn)原理全黑幀插入技術(shù)(BlackFrameInsertion)有很多種說法，如全黑數(shù)據(jù)插入技術(shù)(BlackDataInsertion),又或者是插黑技術(shù)(BlackInsertion);但它們實際上說的是一回事情，就是在原有視頻圖像的基礎(chǔ)上，每兩幀畫面之間插入一個全黑的中間幀，并使幀頻率增加一倍(圖8)。插黑技術(shù)的最大特點在于非常容易實現(xiàn)，而且相對而言成本較低，它只需要在顯示器的驅(qū)動電路中增加相應(yīng)的插黑處理電路，而不必改變現(xiàn)有液晶顯示以及背光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。事實上，插黑技術(shù)很早之前就被提出來了，但當時并沒有被推廣

14、開來。其主要原因是如果釆用了插黑技術(shù)，人眼觀察到的動態(tài)圖像實際上有大約一半的時間是全黑畫面，若亮度和響應(yīng)速度太低，很容易造成主觀感覺上亮度的明顯下降及閃爍感等問題。因此，高響應(yīng)速度和高亮度是應(yīng)用插黑技術(shù)的兩個前提，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，目前液晶產(chǎn)品的響應(yīng)速度和亮度已足以滿足插黑技術(shù)的應(yīng)用條件。例如BenQ最近發(fā)布的第二代疾彩技術(shù)，實際上就是由插黑技術(shù)和，高級運動加速器”(AdvancedMotionAccelerator，AMA)技術(shù)共同組成的，AMA是BenQ所釆用的一種提升液晶顯示響應(yīng)速度的技術(shù)，正是在提高響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，才得以使用插黑技術(shù)來降低運動拖影現(xiàn)象。如果說插黑技術(shù)是從液晶面板上動

15、手腳，那么脈沖式背光技術(shù)(ImpulseBacklight)則是拿背光光源開刀，按照實現(xiàn)原理的不同，現(xiàn)階段的脈沖式背光技術(shù)分為背光閃爍技術(shù)(FlashingBacklight)和背光掃描技術(shù)(ScanningBacklight，又被稱為ScrollingBacklight)。背光閃爍技術(shù)就是使液晶面板的背光燈在每個幀周期內(nèi)閃爍:亮-滅)一次，即原來每幀圖像的顯示周期都被分成兩個時間段一在第一個時間段內(nèi)背光燈被打開、正常顯示圖像幀，第二個時間段內(nèi)則關(guān)閉背光燈、出現(xiàn)全黑屏幕實際上這時液晶層仍然有圖像在顯示，但是沒有背光通過所以表現(xiàn)為全黑)。從視覺效果上來看，背光閃爍技術(shù)與前面介紹的插黑技術(shù)有著異曲

16、同工之妙：插黑技術(shù)是通過周期性地顯示全黑圖像幀來降低運動拖影，而脈沖式背光技術(shù)則是讓背光系統(tǒng)產(chǎn)生周期性的閃爍，同樣實現(xiàn)了周期性的插黑效果。背光閃爍技術(shù)的原理非常簡單，但是這是以足夠高的液晶響應(yīng)速度和亮度為基礎(chǔ)的，為了避免閃爍感以及主觀亮度過低的問題，必須保證背光的閃爍驅(qū)動與液晶顯示的數(shù)據(jù)寫入驅(qū)動能夠完全同步。此外，背光閃爍技術(shù)要求背光源一直處于閃爍狀態(tài)，從控制的方便性以及使用壽命方面考慮，這項技術(shù)更適合釆用LED(發(fā)光二極管)為背光源的液晶顯示面板。軸也俾昱示砒用禰5若尢旺営叢上至下掃荘唯備隼皿1啖圖骨旳顯五第K供目像顯亦完硯背光掃描技術(shù)的實現(xiàn)原理背光掃描技術(shù)與背光閃爍技術(shù)的基本思路是相仿的，

17、但背光掃描技術(shù)的具體實現(xiàn)方法是在液晶顯示的背光系統(tǒng)中增加了燈管的數(shù)量，全部燈管并不是同時開關(guān)閃爍，而是從上向下依次輪流發(fā)光和熄滅，如圖1所示。顯然，背光掃描技術(shù)的工作模式更接近于CRT顯示器的掃描方式。背光掃描技術(shù)要比背光閃爍更復(fù)雜一些，增加燈管的數(shù)量就意味著必須改變背光模塊的結(jié)構(gòu)，此外還必須確保液晶面板的數(shù)據(jù)寫入驅(qū)動與背光閃爍掃描驅(qū)動之間更嚴格的時序同步，這就需要增加更為復(fù)雜的同步處理電路，因此其實現(xiàn)成本相對也就會高一些。動器、源驅(qū)動器以及背光驅(qū)動器之間在時間順序上的同步操作與背光閃爍技術(shù)類似，背光掃描技術(shù)也面臨著燈管使用壽命的挑戰(zhàn)，因此背光掃描技術(shù)更多意義上只有等LED背光技術(shù)普及之后才能

18、進入大規(guī)模的推廣。對于現(xiàn)在的冷陰極燈管技術(shù)來說，背光閃爍或者背光掃描無疑是一場夢魘。與插黑技術(shù)相似，幀插補倍頻技術(shù)(FrameInterpolationandDoublingFrequency)也是在原有視頻圖像的基礎(chǔ)上，每兩幀畫面之間插入一個中間幀；換句話說就是將原來的幀率提高一倍，60Hz120Hz。所不同的是，插入幀并不是全黑的圖像，而是介于兩幀畫面之間的“過渡圖像”，這樣每幀畫面的持續(xù)時間縮短為以前的二分之一，便可以有效降低每幀畫面對人視覺系統(tǒng)的持續(xù)作用時間，從而減少拖影，提供更流暢的運動圖像。與插黑技術(shù)相比，幀插補倍頻技術(shù)要通過適當?shù)倪\動估算機制和各種處理電路生成所需插補中間幀的圖像

19、數(shù)據(jù)，并且還要進行圖像信號的倍頻化處理等工作，所以從實現(xiàn)原理上來講要比插黑技術(shù)復(fù)雜得多。但幀插補倍頻技術(shù)卻不會像插黑那樣容易造成閃爍感，以及主觀亮度上的明顯下降，所以現(xiàn)在多用在一些高端的液晶電視機產(chǎn)品中。表面上看起來幀插補倍頻技術(shù)似乎只是將液晶顯示的速度加倍而已，但其實里面包含了兩方面的含義：其一、在顯示器方面減少每一幀畫面對眼睛的作用時間；其二、從人的生理特征上改善主觀畫面對拖影的影響。如果給前面介紹的幾種抗拖影技術(shù)加上一個形容詞，“中規(guī)中矩”肯定比較合適。下面介紹的這種技術(shù)，就顯得比較另類了，它就是運動補償反轉(zhuǎn)濾波技術(shù)(MotionCompensatedInverseFiltering，M

20、CIF)。從實現(xiàn)原理上來說，運動補償反轉(zhuǎn)濾波技術(shù)與其它幾種技術(shù)有著明顯的不同，它沒有釆用仿脈沖驅(qū)動或者仿掃描顯示的模式，而是通過對圖像信息頻域中常用的空間頻譜進行分析與處理來解決拖影問題。需要大家注意的是，一般意義上的頻率是指時間頻率，用來度量信號隨時間周期性變化的特性，而空間頻率則用來描述圖像中光分布隨空間位置周期性變化的特性，空間頻譜分析和處理技術(shù)就是對構(gòu)成圖像信號的各種空間頻率成分進行數(shù)據(jù)分析和處理，從而實現(xiàn)對圖像信息的處理。從空間頻譜分析的角度來看，液晶顯示設(shè)備與我們的視覺系統(tǒng)共同組成了一種與空間位置變化有關(guān)的濾波系統(tǒng)，也就是一種空間濾波系統(tǒng)。拖影所導(dǎo)致的運動模糊現(xiàn)象實際上就是這種空間濾波系統(tǒng)對圖像信號產(chǎn)生的一種與運動相關(guān)的低通濾波效應(yīng)（Low-passFilteringEffect）,即觀看者只感知到了圖像中空間頻率較低的信息成份（運動物體的輪廓），而空間頻率較高的信息（運動細節(jié)）則被過濾掉了，所以觀看者看到的只是模糊的運動圖像。因此，要消減液晶顯示器的運動拖影現(xiàn)象，可以利用某種有效的運動圖像空間頻譜數(shù)據(jù)分析與處理算法，并增加相應(yīng)的反轉(zhuǎn)濾波裝置來抵消或校正上述的空間低通濾波效應(yīng)，從而實現(xiàn)對運動圖像的補償，這就是運動補償反轉(zhuǎn)濾波技術(shù)的基本原理。和處理，獲得相應(yīng)的空間濾波系數(shù)等信息；在高空間頻率增強濾波電路中，根據(jù)剛才得到的空間濾波系數(shù)對